Necesidad de una Infraestructura para Geodesia Espacial de ...

Necesidad de unaInfraestructura para GeodesiaEspacial de PrecisiónMichael Pearlman, PresidenteHarvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge MA, USAErricos Pavlis, Coordinador CientíficoGEST, UMBC, Baltimore MD, USACarey Noll, Director AsociadoNASA GSFC, Greenbelt MD, USASistema de Observación Geodética Global (GGOS)Agencia de Redes y ComunicacionesSpace Conference of the Americas 2010Pachuca MexicoNovember 15-19, 2010

Necesidad de Monitoreo de los Sistemas de laTierra con las Redes de Geodesia Espacial• Los procesos terrestres pueden tener un impacto devastador en nuestra sociedad ynuestras economías (sismos, aumento del nivel del mar, inundaciones, sequías,tormentas, tsunamis, etc.)• Monitoreo de los sistemas de la Tierra nos ayuda a entender los procesos del Ambiente ysus interacciones:– Tierra, océanos, casquetes polares, hidrología terrestre, atmósfera, etc.• Decisiones sociales mayores requieren muchos años para ser implementadas:– Construcción de diques, traslados de población, códigos de construcción, estrategiasde agricultura, etc.• El entendimiento de los procesos ambientales nos ayudará a tomar decisionesinteligentes con anticipación para que tengan un impacto oportuno.• Las Redes de Geodesia Espacial son fundamentales para el sistema de monitoreo que nosayuda a entender los procesos de la Tierra a través de mediciones sobre el terreno ydesde el espacio.• Las Redes de Geodesia Espacial nos permiten integrar sistemas nacionales dereferencias.The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 11

Cuando los Marcos Nacionales de Referenciano están Integrados!Error de diseño en la construcción del puente en Laufenburg (2003): Durante la construcción delpuente que cruza el Río Rin en Laufenburg, una estación de control mostró que existe unadiferencia de elevación de 54 cm entre el puente construido del lado de Suiza y la carreteradel lado Alemán. La razón del error es que los horizontes del lado de Alemania y Suiza estanbasados en marcos de referencia distintos. Alemania tiene como referencia el nivel del Mar delNorte, Suiza tiene como referencia el Mediterraneo. (Courtesy of Hermann Drewes/DGFI)The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 2

Qué es una Estación Fundamental?• A estación de Tierra con cuatro técnicas de geodesia espacial localizadasconjuntamente para que las mediciones entre ellas puedan serrelacionadas con exactitud de sub-mm.• Las cuatro técnicas son:– Sistemas Satelitales de Navegación Global (GNSS, e.g., GPS, GLONASS, Galileo)– Mediciones Láser a Satélites (SLR)– Interferometría de Línea Base muy Larga (VLBI)– Determinación de Orbita y Radio-posicionamiento Integrado por Satélite (DORIS)Por qué necesitamos cuatro técnicas?– Los requerimientos de las mediciones son muy estrictos– Cada técnica hace su medición de manera diferente y por lo tanto mide algo diferente:• Referencia Terrestre (satélite) versus astronómica (cuásares)• Mediciones de distancias satélite-estación versus mediciones de Diferencia de distancias• Transmisión ascendente versus Transmisión descendente• Radiofrecuencia versus óptico• Activo versus pasivo• Cubertura Geográfica– Cada Técnica tiene diferentesfortalezas y debilidades– La combinación nos permite tomarventaja de sus fortalezas ymitigar las debilidadesThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 3

Ejemplo de una Estación FundamentalNASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt MD, USA• Goddard Geophysical and Astronomical Observatory (GGAO)tiene cuatro técnicas en el Emplazamiento• Legado SLR, VLBI, GPS, DORIS• NGSLR semi - “operacional”• VLBI2010 sistemas en prueba• GGAO será la ubicación del prototipo de la generación futurade estaciones de técnicas múltiplesThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 4

Global Navigation Satellite Systems (GNSS)• Segmento Espacial:• Satélites (GPS, GLONASS, Galileo,COMPASS, QZS, etc.) equipados con relojesprecisos que transmiten mensajessatelitales como efemérides, desfases decronómetros, etc.)• Segmento Terrestre:– Multi-frecuencia receptor y antenaGNSS• Mediciones:– Pseudorange Estación a Satélite,retardo de fase• Datos Producidos:– Distribución precisa del marco dereferencia global– Determinación de Órbitas Precisas– Orientación y Rotación de la Tierra– Soluciones de Estación y reloj deSatélite– Productos de la Troposfera e Ionosfera• Características:– Red global comprensiva– Costo efectivo y accesibleThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 5

Satellite Laser Ranging (SLR)• Segmento Espacial:– Satélites equipados con ‘corner cube’retroreflectores• Segmento de Tierra:– Transmisor de láser de corto-pulso• Mediciones:– Medición del tiempo de vuelo de ida yvuelta al satélite• Datos Producidos:– Posiciones de Estaciones– Determinación de Órbitas Precisas– Orientación y Rotación de la Tierra• Características:– Medio mas exacto de medir la posicióndel satélite– Única determinación de la orientacióndel marco de referencia– Segmento Espacial Pasivo– Menos dependiente del medio detransmisión– Disponibilidad de datos globales casien tiempo-real– Habilidad de detectar variaciones entendencias a largo plazoThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 6

Very Long Baseline Interferometry (VLBI)• Segmento Espacial:– Cuáseres (frecuencias de microondas)• Segmento Terrestre:– Radio telescopio equipado conreceptores de banda ancha• Mediciones:– Diferencia de tiempo de arribo delfrente de onda radial emitido por unquásar distante a dos antenas en lasuperficie de la Tierra.• Datos Producidos:– Posiciones de estaciones, velocidades– Posiciones de los cuásares– Orientación de la Tierra y Rotacióncon respecto a las estrellas– Parámetros de la Ionosfera• Características:– Único método conectado con el marcode referencia astronómico (estrellas)– Totalmente pasivo - radio transmisión– Gran Volumen de datos Gbyte, peroavanzando a transmisión de datos porbanda-ancha casi en tiempo-realThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 7

Doppler Orbitography and RadiopositioningIntegrated by Satellite (DORIS)• Segmento Espacial:– Satélites equipados con receptoresDORIS y uplink hardware• Segmento Terrestre:– Radiofaro transmitiendo señales deradiofrecuencia• Mediciones:– Desviación Doppler en las señales deradiofrecuencia• Datos Producidos– Posiciones de Estaciones y velocidades– Determinación de Órbitas Precisas– Parámetros de la Ionosfera• Características:– Distribución Global– Sistema terrestre de robustaconfiguración (fuente singular)The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 8

Global Geodetic Observing System (GGOS)Componente Oficial (Sistema de Observaciones) de la Asociación Internacionalde Geodesia (IAG) con el objeto de:Asegurar la disponibilidad de ciencia geodética, infraestructura, yproductos para apoyar investigaciones de cambio global en las Ciencias dela Tierra para:– Extender nuestro conocimiento y entendimiento de los procesos de sistema;– Monitorear cambios en curso;– Incrementar nuestra capacidad de predecir el comportamiento futuro; y– Mejorar la disponibilidad de observaciones geodéticas y productos para un amplio rango deusuarios.Rol• Facilitar interconexión entre los Servicios y Comisiones de IAG y otros interesados en las Ciencias dela Tierra y las comunidades de Observación Terrestre,• Proveer consejo científico y coordinación que permitirán que los Servicios de IAG desarrollenproductos con alta exactitud y consistencia, cumpliendo con los requerimientos de las investigacionesde cambio global.GGOS Agencia para Redes y Comunicaciones• Proveer supervisión, coordinación, guía para el desarrollo, implementación y operación de la RedCentral de (co-ubicadas) Estaciones.• Desarrollar un estrategia de diseño, integrar y mantener la red geodética fundamental de instrumentosco-ubicados apoyando la infraestructura de manera sostenible para satisfacer a largo plazo (10 - 20años) los requerimientos identificados por el GGOS Consejo de Ciencia.Aceptado como una Sub-Tarea bajo el Grupo de Observaciones de la Tierra (GEO)The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 9

Informe al U.S. Consejo Nacional deInvestigaciones“Infraestructura de Geodética Precisa:Requerimientos Nacionales para Recursos Compartidos”(http://dels.nas.edu/Report/Precise-Geodetic-Infrastructure-National-Requirements/12954)Reconociendo la dependencia creciente en la infraestructura para geodesia deprecisión en un amplio rango de esfuerzos científicos y sociales, y reconociendo lainfraestructura como un recurso nacional compartido, el Comité de Estudios delNRC recomienda enfáticamente que U.S. debe:– Desplegar estaciones adicionales para complementar e incrementar la densidad de redesgeodéticas, en un esfuerzo cooperativo con sus socios internacionales, con el objeto de alcanzaruna red geodética global de estaciones fundamentales;– Comprometerse a largo-tiempo a mantener el Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF)para asegurar su continuidad y estabilidad;– Evaluar la población capacitada requerida para sostener la geodesia de precisión en los EstadosUnidos y los programas de investigación y educación establecidos en universidades en U.S. que soncontinuación de un estudio concentrado en los prospectos de la geodesia y sus aplicaciones a largoplazo.The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 10

GGOS Red Uniforme Distribuída GlobalmenteRequerimientos del Emplazamiento• Red uniforme distribuída Globalmente con aproximadamente 30estaciones terrestres fundamentales, incluyendo al menos 3 estaciones enAmerica del Sur• Geología Estable, lejos de zonas sísmicas y zonas que sufren dedeformación local• Clima seco, despejado (para SLR)• Condiciones Tranquilas de interferencia de radiofrecuencias• Condiciones de horizonte Claro (despejado)• Comunicaciones de Banda-Ancha para transferencia de datos casi entiempo-real y control y monitoreo de instrumentos• Emplazamiento con un area de al menos 10 hectáreas• Fácil acceso al Emplazamiento para envíos y personal• Infraestructura Local (energía, calles, etc.)• Apoyo Técnico y de personal, etc.• Seguridad del EmplazamientoThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 11

La Necesidad de Cooperación Internacional• Los productos de datos que provienen de los Programas de GeodesiaEspacial están basados en una fuerte cooperación internacional,requiriendo un amplia inversión internacional• Internacionalmente, muchas organizaciones apoyan estaciones terrestres,desarrollo de productos, y análisis:Cada uno hace una parte; cada uno se beneficia de sutotalidad• A través de este modelo de cooperación, la IAG ha establecido susservicios técnicos (IGS, IVS, ILRS, and IDS)• Actualmente, mas de 250 instituciones en más de 90 países contribuyen aesos servicios de IAG• Estudios Simulados muestran que 30 estaciones fundamentales distribuidasglobalmente se requieren para alcanzar los requerimientos del GGOS parael marco de referencia• Una Red de GNSS mas densa es requerida para proveer acceso global almarco de referenciaThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 12

Geodesia AplicadaPrecisión de la PosiciónGeodesia PrecisaSegundos Minutos Horas Días Meses Años DécadasEscala de TiempoCourtesy of Bernard Minster/SIOhttp://dels.nas.edu/Report/Precise-Geodetic-Infrastructure-National-Requirements/1295410/01/2010 NRC Briefing 13 The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 13

Beneficios Nacionales(Por qué los países están apoyando a GGOS)• Monitoreo y predicción de aumento delnivel del mar– Inundación y erosión costal– Monitoreo de pantanos costales– Monitoreo de Tsunamis y sistemas de alerta• Monitoreo de cambios en el volumen dehielos– Casquetes Polares– Glaciares de Montaña• Desarrollo de mapas topográficos exactos– Mapas del plano de inundación– Erosión– Infraestructura, ingeniería, etc.• Evaluación de Desastres Naturales– Sismos– Volcanes– Inundaciones– Corrimientos de tierra– Incendios• Meteorología– Mejores modelos numéricos del tiempo y de laionosfera• Entendiendo condicioneshidrológicas variables– Niveles de Lagos y Ríos– Inundaciones y sequías– Monitoreo de recursos hídricos• Agricultura de Precisión– Plantación, irrigación, arado, cosecha,etc.• Detección Remota Activa porsatélite y avión– Erosión costal, control de carreteras ylímites, etc.• Marco de Referencia GeodéticaEstandarizada para Ingeniería Civil– Puentes, tuneles, etc.• Navegación Autónoma– Control de Vehiculos– Control de Aviones• Educación: Ciencias de la TierraThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 14

Geodesia para el beneficio de la SociedadInvestigación civil, and commercial areas, e.g.:• Posicionamiento en tiempo real• Navegación Autónoma (carreteras, mar, aire)• Agricultura de Precisión• Sondeos, mapeo del plano de inundación• Mapeo Forestal, estimación de biomasa• Monitoreo de Riesgos Naturales y alerta avanzada• Cambios del Nivel del Mar… El TIEMPO TIENE IMPORTANCIA CRUCIAL!Courtesy of Bernard Minster/SIOhttp://dels.nas.edu/Report/Precise-Geodetic-Infrastructure-National-Requirements/1295415 10/01/2010 NRC Briefing The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 15

Requerimientos Científicos de la TierraDinámica de la Tierra Firme• Geodinámica, Isostasia, Parámetros de Orientación de laTierra• Desastres Naturales• Volcanes, Sismos, Corrimientos de Tierra, Inundaciones,TsunamisDinámica del Océano y la Criosfera• Aumento del Nivel del MarCiclo Hidrológico y Recursos Hídricos• Almacenamiento, Subsidencia, Niveles de Ríos y LagosMeteorología• Basada en observaciones terrestres y espaciales,Meteorología del EspacioNavegación Precisa de Naves Espaciales• Determinación de Órbitas Precisas• Navegación interplanetariaCronometraje y su TransferenciaMisiones de la DécadaDecadal MissionsCourtesy of Bernard Minster/SIOhttp://dels.nas.edu/Report/Precise-Geodetic-Infrastructure-National-Requirements/1295416 10/01/2010 NRC Briefing The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 16

Construyendo la Proxima Generación deInfraestructura Geodética de PrecisiónenAmerica del Sur• La Red en América del Sur no estáoptimizada para cubrir lasnecesidades sociales• Hay considerable capacidad sobrela cual se puede construir• Algunas estaciones actuales enAmérica del Sur tienencondiciones meteorológicas ygeológicas inadecuadas quelimitan severamente la calidad ycantidad de datosPróximos pasos a tomar en Américadel Sur:• Organizar una reunión entre IAG,GGOS, SIRGAS, y agencias nacionalesinteresadas para discutiroportunidades para establecerestaciones fundamentales en Américadel SurThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 18

For more information contact:Michael PearlmanChair, GGOS Networks and Communications Bureaumpearlman@cfa.harvard.eduThe Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 19

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Proyecto de Geodesia Espacial de NASA• Proveer la contribución de NASA a una red mundial de estacionesfundamentales de geodesia espacial;• Fase 1 Propuesta desarrollada para 2–años de actividad:– Finalizar simulaciones de red para estudiar el ámbito de la red y examinar compromisosgeográficos, operacionales y técnicos basados en LAGEOS y rastreo GNSS con SLR;– Completar el prototipo de los instrumentos SLR (NGSLR) y VLBI (VLBI 2010);– Co-ubicar estos instrumentos con la nueva generación de estaciones terrestres de GNSS yDORIS en GSFC;– Implementar un sistema de sondeo moderno para medir los vectores de co-ubicaciónentre-técnicas;– Desarrollar el trazado generalizado de estaciones considerando RFI y restricciones deoperaciones;– Tomar la tarea de hace análisis de apoyo;– Comenzar la evaluación de los Emplazamientos para es despliego de la red de estaciones;– Desarrollar un plan completo de implementación de la red;• Fase de seguimiento para el despliego de hasta 10 estaciones;• Propuesta aparte para construir el primer conjunto de retro-reflectorespara futuros satélites de GPS• Científico del Projecto: Herb Frey/NASA GSFC (Herbert.V.Frey@nasa.gov)Sudirector Científico del Projecto: Frank Webb/JPL(Frank.H.Webb@jpl.nasa.gov)Gerente del Proyecto: Ron Zellar/NASA GSFC (ron.zellar@nasa.gov)The Need for a Precise Space Geodesy Infrastructure | Space Conference of the Americas 2010 | November 15, 2010 | 21